Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluiddruckregler der
Art, die eine Steuerleitung zum Abgeben von Druckfluid durch
eine Düse in einen Steuerraum hat und in der der
Auslaßquerschnitt der Düse durch eine Membran gesteuert wird, die auf
geregelten Druck und den Steuerraumdruck anspricht, und ein
modulierter Druck stromaufwärts der Düse einem Ventilstellantrieb
zugeführt wird.
Hintergrund
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Pneumacische Druckregler zum Regeln einer Fluidströmung
Zwischen einer Hochdruckversorgungsquelle und einer Umgebung mit
geregelten, niedrigerem Druck sind gut bekannt. Solche Regler
überwachen den geregelten Druck stromabwärts eines
Drosselventils und vergleichen ihn mit dem Umgebungsdruck, um ein
moduliertes Steilantriebssteuerdrucksignal zu erzeugen. Das
Stellantriebssignal treibt einen pneumatischen Stellantrieb zum
Positionieren des Regelventlls an und drosselt hierdurch das
Regelventil von der Versorgungsquelle aus.
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Eine übliche Methode, um das modulierte
Stellantriebsdrucksignal zu erhalten, geschieht mittels einer Steuerdüse, die
Druckfluid in einen Steuerraum abgibt und einen variablen
trümungsbegrenzer hat, welcher durch eine mechanische
Verbindung angetrieben wird, die mit einem gegenüber einem
Umgebungsoder anderen Referenzdruck unterschiedlichen Druck stromabwärts
des Drossel- oder Regelventils gekoppelt ist, und den
Auslaßquerschnitt der Steuerdüse und hierdurch den Druck
stromaufwärts der Düse variiert.
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Eine Stellantriebssteuerleitung überträgt den Druck
stromaufwärts der Düse auf einen pneumatischen Stellantrieb, der
wiederum das Drosselventil zum Regeln des stromabwärtigen Drucks
positioniert. Solche Regler verwenden üblicherweise Fluid aus
der Hochdruckversorgung, um die Steuerdüse zu speisen und den
pneumatischen Stellantrieb zu Positionieren, und können
hierdurch Fehlern unterworfen sein, die entstehen, wenn der
Versorgungsquellendruck erhöht wird.
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Ein solcher Fehler kann in einer Regelanordnung auftreten, in
der dieser pneumatische Stellantrieb von dem Typ mit "halber
Fläche" ist. Solche Stellantriebe weisen zwei verbundene Kolben
mit unterschiedlichen Flächen auf, welche separat durch die
Fluidersorgungsquelle und den modulierten Druck stromaufwärts
der Düse unter Druck gesetzt werden. Der modulierte Druck
steigt daher mit erhöhtem Versorgungsdruck an.
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Wenn der benötigte modulierte Druck ansteigt, steigt der Druck
an der Düsenbegrenzerplatte ebenfalls an, was zu einem Absinken
des geregelten Ist-Drucks stromabwärts des Ventils beiträgt
wenn die Verbindung durch den statischen Druck an der
Begrenzungsplatte zurück getrieben wird. Dieser Fehler wird
weiter durch die Notwendigkein verstärkt, die Größe und die
Durchflußkapazität der Steuerdüse und der Steuerleitung zu
erhöhen, um die Möglichkeit einer erhöhten Leckage in dem
pneumatischen Stellantrieb zu gestatten, welche aus dem erhöhten
Druckbedarf resultieren kann. Eine größere Steuerdüse erfordert
natürlich eine größere Begrenzerplatte, wodurch die Gegenkraft
an oer Begrenzerplatte weiter erhöht wird.
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Eine bekannte Lösung für dieses Problem ist, die Fläche der
durch Druck auslenkbaren Membran zu erhöhen, es ist jedoch
klai daß die Verwendung von größeren und deshalb schwereren
Eauteilen die dynamische Reaktion des Reglers verändert und
möglicherweise die anfängliche Reaktionszeit aufgrund der
erhöhten Bauteilmasse reduziert sowie die Dämpfungscharakteristik
der Verbindung und der Membran verändert, so daß unerwünschte
Druckschwankungen während gewisser Betriebszustände auftreten
könnten.
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Was henötigt wird, ist ein Druckregler der beschriebenen Art,
der dazu fähig ist, erhöhten Versorgungsdruck und
Steuerdüsendurchfluß zu kompensieren, ohne die mechanische Konfiguration
und Größe der Düsendurchflußbegrenzerverbindung in dem
Druckvergleicher zu verändern.
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Eine andere Art von Druckregler ist in der US-A-4 083 375
offenbart. Bei diesem bekannten Druckregler wird Druckfluid in
einen Steuerraum abgegeben. Eine auf den geregelten Druck und
den Druck in dem Steuerraum ansprechende Membran steuert die
Fluidströmung aus dem Steuerraum durch eine Ablaßöffnung. Der
Druck in dem Steuerraum wird zu dem Ventilstellantrieb
geleitet. Eine weitere unterschiedliche Art von Druckregler ist in
dei GB-A-2 158 616 offenbart, in der ein Pilotventil, das durch
eine auf den geregelten Druck ansprechende Membran betätigt
wird, eine Hochdruckfluidströmung zu einem Ventilstellantrieb
oder dessen Abßluß durch eine Ablaßöffnung steuert. Es ist
angegeben, daß diese Erfindung keinen Druckregler der in der US-
A-4 083 375 oder GB-A-2 158 616 offenbarten Art betrifft.
Darstellung der Erfindung
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Fluiddruckder genannten Art zu schaffen zum Aufrechterhalten eines
konstanten geregelten Fluiddruckes aus einem veränderlichen
Versorgungsdruck und mit Selbstkompensation für einen erhöhten
Fluidversorgungsdruck.
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Erfindungsgemäß wird das durch einen Fluiddruckregler der in
dem unabhängigen Anspruch angegebenen Art erreicht. Der
Druckregler zum Liefern eines modulierten Stellantriebsdrucksignals
hat einen Steuerraum, der eine Fluidströmung aus der
Hochruckfluidversorgungsquelle empfängt. Der Regler hat weiter
eine Steuerdüse zum Abgeben des Steuerfluids in den Raum und
einen variablen Düsenströmungsbegrenzer, der auf den statischen
Druckunterschied zwischen dem Innern des Steuerraumes und dem
geregelten Ist-Fluiddruck anspricht. Der Düsenbegrenzer dient
dazu, den Steuerfluiddruck stromaufwärts der Auslaßsteuerdüse
zu modulieren, wobei der stromaufwärtige Druck durch eine
Stellantriebsleitung zu einem pneumatischen Stellantrieb geleitet
wird, um ein drosselndes Steuerventil zu positionieren, das
zwischen der Hochdruckfluidversorgung und dem geregelten
Fluiddruckraum angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet das Absinken des geregelten
Drucks, der im Stand der Technik bei höheren Versorgungsdrücken
auftritt, durch Vorsehen einer begrenzten Ablaßöffnung, durch
die das abgegebene Steuerfluid aus dem Steuerraum in die
Umgebung austritt. Der begrenzte Ablaß hat einen erhöhten
statisehen Fluiddruck in dem Steuerraum bel höheren
Steuerfluiddurchsätzen zur Folge, die erhöhten Fluidversorgungsdrücken
entsprechen. Der höhere Fluiddruck in dem Steuerraum liefert
über die Membran und die mechanische Verbindung eine
korrigierende Kraft an dem Düsenbegrenzer, die den erhöhten statischen
Düsenauslaßdruck kompensiert.
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Der erfindungsgemäße Regler ist bezüglich erhöhter
Fluidversorgungsdrücke selbstkompensierend und deswegen fähig, erhöhte
Drücke und erhöhte Steuerfluiddurchsätze zuzulassen, ohne eine
nachteilige Modifikation der mechanischen Ausbildung oder der
Dynamik des Reglers zu erfordern.
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Sowohl diese auch als andere Merkmale und Vorteile des
erfindungsgemäßen Druckreglers werden dem Fachmann nach einer
Durchsicht der folgenden genauen Beschreibung und der beigefügten
Ansprüche und Zeichnungen ersichtlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung eines
Druckreglers, eines Stellantriebs und eines Drosselventils.
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Fig. 2 zeigt eine detaillierte Ansicht der Steuerdüse und des
Druckbegrenzers.
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Fig. 3 vergleicht die Leistung des erfindungsgemäßen Reglers
mit einem bekannten Druckregler.
Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere Fig. 1,
wird nun der erfindungsgemäße Druckregler im Detail
beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Leitung, in der eine Druckfluiströmung
10 durch ein Drosselventil 12 und in eine Zone 14 mit
niedrigerem Druck geht, in der der statische Fluiddruck PREG auf eine
vorgewählte Größe geregelt werden soll. Ein Teil der
Hauptfluidströmung 10 wird aus der Leitung 8 stromaufwärts des
Drosselventils 12 in eine erste Steuerleitung 16 abgeleitet. Die
Steuerfluidströmung 18 in der Steuerleitung 16 geht mit
Schallgeschwindigkeit durch eine Strömungsregelöffnung 20 hindurch,
wodurch eine "gedrosselte" Strömung durch die Düse bei
normalerweise erwartetem Versorgungsdruck PSUP und stromabwärtigem
Druck PM erzielt wird.
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Der Betrieb mit gedrosselter Strömung tritt auf, wenn das
Druckverbältnis PM/PSUP an der Öffnung 20 kleiner als ein
kritisches Druckverhältnis ist, das der Beschleunigung des durch
diese Öffnung strömenden Fluids auf Schallgeschwindigkeit
entspricht. Ein Merkmal der gedrosselten Strömung ist, daß der
Fluidmassendurchsatz unabhängig vom stromabwärtigen statischen
Druck PM ist. Es ist auf dem Gebiet der Dynamik kompressibler
Fluide gut bekannt, daß die Massenströmung eines kompressiblen
Flnids durch eine gedrosselte Öffnung nur eine Funktion des
stromaufwärtigen Drucks und der Temperatur ist. So gilt für die
Öffnung 20 in der Steuerleitung 16:
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W&sub2;&sub0; = 0,53A&sub2;&sub0;CDPSUP/ TSUP
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wobei:
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W&sub2;&sub0; gleich der Massenströmung durch die
Verengung 20 ist;
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A&sub2;&sub0; gleich der Luftströmungsguerschnittsfläche
der Öffnung 20 ist;
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CB gleich dem Auslaßkoeffizienten der Öffnung 20
ist;
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PSUP gleich dem absoluten Fluiddruck
stromaufwärts des Drosselventils 12 ist; und
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TSUP gleich der absoluten Fluidtemperatur des
Fluids stromaufwärts des Drosselventils 12
ist.
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Das Steuerfluid 18 strömt nach dem Durchströmen der Begrenzung
20 weiter in den Druckvergleicher 22 des Druckreglers, von wo
aus es über eine Steuer- oder Ablaßdüse 26 in einen inneren
Steuerraum 24 austritt. Der Druckvergleicher 22 hat eine erste
und eine zweite Membran 28, 30 jeweils je einer dem Steuerraum
zugewandten Seite 32, 34 und einer entgegengesetzten Seite 36,
33, welche über eine zweite Steuerleitung 40 in Fluidverbindung
mit dem geregelten Druckraum 14 stromabwärts des Drosselventils
12 ist
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Die Fläche der ersten Membran 28 ist größer als die Fläche der
zweiten Membran 30 wobei die Mitten der beiden Membranen 28,
30 durch einen drehbar gelagerten Waagebalken 42 verbunden
sind. Die zweite Membran 30 kann auch eine Feder 44 oder eine
andere Antriebseinrichtung zum Erzielen eines
Kräftegleichgewichts um den Waagedrehpunkt 46 haben. Der Druckvergleicher 22
enthält auch einen Steuerdüsendurchflußbegrenzer 48, der an
einem Ende des Waagebalken 42 befestigt ist und sich auf
Auslenkungen des Waagebalkens 42 hin bewegt, wie weiter unten
erläutert.
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Dem Fachmann ist klar, daß Variationen des geregelten Drucks
das Kräftegleichgewicht an dem Waagebalken 42 verändern,
wodurch der Waagebalken 42 ausgelenkt wird, bis die
Antriebsfeder 44 ausreichend zusammengepreßt oder entspannt ist, um das
Kräftegleichgewicht wiederherzustellen. Diese Auslenkungen des
Waagebalkens 42 bewirken, daß sich der Durchflußbegrenzer 48
relativ zu der Auslaßdüse 26 dieser nähert oder von dieser
entfernt wodurch der effektive Düsenauslaßquerschnitt verändert
und der Druck in der ersten Steuerleitung 16 zwischen dem
Strömungsbegrenzer 20 und der Auslaßdüse 26 erhöht oder erniedrigt
wirft. Dieser variierende, modulierte Druck PM ist das
Drucksignal, das von dem erfindungsgemäßen Regler benutzt wird, um
einen pneumatischen Stellantrieb 50 zum Nachpositionieren des
Drosselventils 12 zu betätigen, um den Druck PREG in dem
geregelten Druckraum 14 aufrechtzuerhalten.
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Der in Fig. 1 gezeigte Stellantrieb 50 ist ein Stellantrieb mit
"halber Fläche", wobei eine Verbindung 52 zum Positionieren des
Ventils 12 durch verbundene Kolben 54, 56 angetrieben wird. Der
Kolben 54 wird auf einer Seite mit dem modulierten Druck PM
beaufschlagt, der von der stromabwärtigen Seite der Auslaßdüse 26
durch eine Stellantriebsleitung 58 geliefert wird. Die andere
Seite des ersten Kolbens 54 ist dem Umgebungsdruck PA in dem
Innern 64 des Stellantriebs 50 über eine
Umgebungsdruckablaßöffnung 60 ausgesetzt. Der zweite Kolben 56 ist so bemessen,
daß er die Hälfte des Flächeninhalts des ersten Kolbens 54 hat,
uno wird auf einer Selte mit dem Versorgungsdruck PSUP
beaufschlagt der durch eine Versorgungsdruckleitung 62 geliefert
wird. Die entgegengesetzte Oberfläche des zweiten Kolbens 56
ist gleichermaßen dem zentralen Umgebungsdruckhohlraum 64
innerhalb des Stellantriebs 50 zugewandt.
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Die Funktion des Stellantriebs 50 sollte nun vollständig klar
sein. Der modulierte Druck PM wird durch den Durchflußbegrenzer
48 ind die Steuerdüse 26 auf näherungsweise der Hälfte des
Versorgungsdrucks PSUP gehalten, wodurch ein Kräftegleichgewicht
an den verbundenen Kolben 54, 56 in dem Stellantrieb 50
erreicht wird. Sollte der regulierte Druck unter den vorgewählten
Wert fallen, wird der Waagebalken 42 durch die kombinierten
Druck- und Antriebkräfte an den Membranen 28, 30 ausgelenkt,
wodurch die Strömung des Steuerfluids 18 aus der Steuerdüse 26
begrenzt wird, der Druck PM stromaufwärts der Düse 26 erhöht
wird und die Antriebskolben 54, 56 in Fig. 1 nach rechts
gedrängt werden. Diese Bewegung entspricht dem Öffnen des
Drosselventils 12, wodurch eine größere Fluidströmung 10 in den
Steuerdruckraum 14 eingelassen wird, dadurch der Druckwert
wieder auf den vorgewählten Wert gebracht wird. Ein Drucküberschuß
auf der stromabwärtigen Seite des Ventils 12 würde natürlich
gegenteilige Effekte und Wirkungen innerhalb des
erfindungsgemäßen Reglers erzeugen, hierdurch das Drosselventil 12
schließen und wiederum den stromabwärtigen Überdruck korrigieren.
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Fig 3 zeigt eine Kurve 66, die die Leistung eines bekannten
Druckreglers darstellt, und eine zweite Kurve 68, die die
Leistung des erfindungsgemäßen Druckreglers zeigt. Wenn der
Versorgungsdruck ansteigt, wird bei dem bekannten Regler ein
Absinken 67 des geregelten Drucks in dem Raum 14 stromabwärts
des Drosselventils 12 unter den gewählten Druck PO beobachtet.
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Die Ursache diese Absinkens wird am besten mit Bezug auf Fig. 2
erklärt, die ein vergrößertes Detail der Steuerdüse 26 in dem
Steuerraum 24 des Druckvergleichers 22 ist. Wie aus Fig. 2
ersichtlich, liefert die Steuerleitung 16 eine Strömung 18 des
Steuerfluids, die aus der Düse 26 in den Steuerraum 24
austritt.
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Der Durchflußbegrenzer 48 ist benachbart zu der Steuerdüse 26
angeordnet, um die Strömung aus derselben zu begrenzen, wodurch
dei Druck PM stromaufwärts der Düse 26 auf etwa der Hälfte des
Versorgungsdrucks PSUP gehalten wird. Der Durchflußbegrenzer 48
wird durch den statischen Druck PM von der Düse 26 weggedrängt.
Diese Kraft, berechnet als das Produkt der
Düsenquerschnittsfläche AN und des Steuerdüsendrucks PM, kann ausreichend sein,
um das Kräftegleichgewicht an dem Waagebalken 42 zu verändern,
wodurch der Durchflußbegrenzer von der Düse 26 weggedrückt
wird, was das Stellantriebssteuerdrucksignal PM reduziert.
Diese Reduzierung steigt mit ansteigendem Versorgungsdruck an,
was zu dem Absinken 67 unter den gewünschten geregelten Druck
PO führt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
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Der erfindungsgemäße Regler bildet eine Einrichtung zum
Kompensieren dieses Absinkens, das durch erhöhten Versorgungsdruck
verursacht wird. Die vorliegende Erfindung sieht eine
Ablaßöffnung 70 vor, die an dem Auslaß des Steuerraumes 24 angeordnet
ist und durch die im wesentlichen die gesamte
Steuerfluidströmung 18 in die Umgebung austritt. Durch passende
Dimensionierung der Ablaßöffnung 70 kann der Druck PCV in dem
Steuerraum 24 zum Ansteigen gebracht werden, wenn die
Steuerfluidströmung 18 als eine Funktion des Versorgungsdrucks PSUP
anstelgt. So erzeugt der erhöhte Gegendruck PPV in dem
Steuerraum eine korrigierende Kraft an den Membranen 28, 30, um den
Durchlaßbegrenzer 48 in Richtung zu der Düse 26 zu drängen und
den Druckunterschied an dem Durchflußbegrenzer 48 zu
reduzieren, wodurch der modulierende Druck PM in der Steuerleitung 16
aufrechterhalten wird.
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Die resultierende Leistungskurve 68, die in Fig. 3 gezeigt ist,
zeigt wie der erfindungsgemäße Regler im wesentlichen das
gesamte bei früheren Reglern aufgetretene Absinken korrigiert.
Die passende Dimensionierung der Ablaßöffnung 70 bezüglich des
erwarteten Versorgungs- und Umgebungsdrücke PSUP, PA wird dem
erfindungsgemaßen Regler ermöglichen, den geregelten Druck PREG
in dem geregelten Raum 14 auf dem vorgewählten Druck PO zu
halten, und zwar sogar bei erhöhten Versorgungsdrücken PSUP.
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Ein typischer Bereich von Versorgungsdrücken, die durch den
erfindungsgemäßen Regler zugelassen werden können, liegt im
Bereich von 100 bis 450 psia (690 bis 3100 kPa), wobei der
vorgewählte geregelte Druck PO näherungsweise 100 psia (690 kPa)
beträgt.
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Es wird weiter dem Fachmann klar sein, daß die erfindungsgemäße
Kompensationseinrichtung keine Veränderung der Größe der
auslenkbaren Membranen 28, 30, des Waagebalkens 42 oder anderer
Bauteile wie des Stellantriebs 50 des bekannten Druckreglers
erfordert. So hält der erfindungsgemäße Regler dasselbe
dynamische Ansprechen/Dämpfen wie bei bekannten Konfigurationen
aufrecht und erfordert keine Verwendung von schwereren oder
größeren Bauteilen, um die höheren Versorgungsdrücke und modulierten
Drücke zuzulassen.